一文讀懂！50G-PON發(fā)展現狀和應用前景

下一代PON技術，即50G-PON技術，是實現萬兆光網的關鍵技術，其發(fā)展現狀和應用前景備受關注。相比10G-PON，50G-PON的帶寬增長近5倍，參考歷史經驗，這符合每代際PON容量增加4~5倍的發(fā)展規(guī)律，這樣的容量增長也能夠滿足創(chuàng)新業(yè)務對網絡帶寬發(fā)展的需求。50G-PON將成為賦能企業(yè)辦公、園區(qū)生產制造、智慧家庭、數字城市等領域的光接入網技術。根據PON技術發(fā)展歷史，相鄰代際的光接入技術部署時間間隔為7～8年，在產業(yè)和政策的助推下，50G-PON技術日趨成熟、主體標準日益完善，預計將在2025年前后實現商用。

01、50G-PON幾個關鍵技術問題取得進展

功率預算

50G-PON需要利用現有PON網絡的ODN，實現N1（29dB）、C+(32dB）等級的功率預算，支持至少20km的光纖傳輸距離。50G-PON線路速率相比10G-PON提升5倍，而隨著傳輸速率的提高，鏈路色散代價也增大，50G-PON色散容限只有10G-PON的1/25。此外，有研究表明，線路速率提高，光發(fā)射機的發(fā)射功率隨之增大，會產生非線性效應，因此對系統(tǒng)設計提出新的挑戰(zhàn)。

為了滿足50G-PON系統(tǒng)的功率預算，需要在發(fā)送端增強光信號發(fā)送功率，同時在接收端提高器件接收靈敏度，多種技術結合方可實現鏈路功率預算。在系統(tǒng)發(fā)射端，根據ITU-T標準，為滿足C+（32dB）等級的功率預算，克服色散對系統(tǒng)的影響，OLT側發(fā)送光功率需要≥8.5dBm。

OLT發(fā)射端可以增加半導體光放大器（SOA）結構的電吸收調制激光器（EML）芯片數量，參考D（35dB）等級XGS-PON相似的OLT發(fā)射端結構，通過采用集成SOA的EML激光器，提供超過10dBm的發(fā)射功率。在ONU側，其上行波長在光纖零色散波長區(qū)（US1）或負色散區(qū)（US2）附近。其中，US3的窄波長波段選項是在ITU-T的G.9804.3 Amd1修訂標準中引入的，這個波長帶位于GPON和XGS-PON波段之間，允許PON系統(tǒng)的三代共存，如圖1所示。

相比OLT側，ONU側能夠采用更簡單的光器件，如采用直接調制激光器（DML），以進一步降低終端成本。但根據ITU-T標準要求，對稱速率50G-PON系統(tǒng)ONU側發(fā)射功率接近7dBm，如采用低成本DML方案，ONU側需要配置高功率DML激光器。此外，如ONU上行波長在US3的窄波長帶（1286±2nm），為確保上行波長穩(wěn)定并性能最優(yōu)，光模塊內需要增加TEC以實現模塊內部溫度控制較優(yōu)的穩(wěn)定性。在系統(tǒng)接收端，50G-PON采用高性能光探測器，以進一步提高接收靈敏度，實現鏈路功率預算指標。

目前業(yè)界傾向于在接收端采用APD探測器，并研究通過優(yōu)化APD材料體系（如采用Ge/Si等）提高接本較高，尚未有成熟的產品。為進一步提高鏈路光功率預算，50G-PON系統(tǒng)收靈敏度，當前25G APD已較為成熟，但50G APD產業(yè)鏈仍未完善，處于樣品階段。此外，也有研究人員采用“PIN+SOA”組合的方案提高接收靈敏度，目前PIN產業(yè)鏈能夠滿足50Gbit/s帶寬需求，但與SOA集成的方案工藝復雜且成的上下行FEC采用低密度奇偶校驗（LDPC）碼，替代之前PON系統(tǒng)采用的里德-所羅門（RS）碼。

在下行方向，FEC對于所有ONU強制開啟；在上行方向，FEC默認開啟，并可由OLT控制關閉。目前，業(yè)界為提升50G-PON功率預算，在系統(tǒng)收發(fā)側采用多項關鍵技術，包括引入SOA、采用高靈敏度APD、部署LDPC FEC等，并已在實驗室對系統(tǒng)N1和C+等級功率預算進行了驗證，取得顯著進展。但仍需完善核心光電器件（如50G DML、50G APD、BM-DRV、BM-TIA等）產業(yè)鏈，提高光電器件產品的性能，以形成規(guī)模、降低成本。此外，50G-PON將采用高功率器件，這也將進一步提高系統(tǒng)功耗和對散熱效率的要求，系統(tǒng)性能有待研究并優(yōu)化。

多代共存

多代共存是運營商非常關注的50G-PON系統(tǒng)關鍵技術能力。目前，GPON系列和EPON系列光接入網已大量部署，而支持多代共存的50G-PON系統(tǒng)能夠在網關側設備無需改動的情況下升級局端設備，降低運營商機房空間占用率，節(jié)省現網投資。

目前支持多代共存的50G-PON，上行波長方案已收斂至1286nm±2nm，能夠支持GPON系列三代共存和EPON系列兩代共存。其中，GPON系列支持G/XG(S)/50GPON三代共存；EPON系列由于早期部分ONU激光器頻寬較寬（1260nm—1360nm），與50G-PON上行波長沖突，因此，目前支持兩代共存，三代共存方案仍在研究中。

在共存實現方式上，運營商多采用內置合波（即在50G-PON光模塊內集成MPM合分波組件）的方式。多代共存時，50G-PON上行波長（1284nm—1288nm）與GPON上行波長（1290nm—1330nm）僅間隔2nm區(qū)間，需要實現30dB高隔離度，對內置的合分波器件要求極高，對光模塊封裝方式也有很高要求，需要模塊廠商優(yōu)化光模塊的結構設計，提升工藝水平。

在業(yè)界持續(xù)攻關下，目前已有器件廠商研制出高隔離度的合分波器件產品，并在系統(tǒng)方面也取得進展，業(yè)界已相繼完成50G-PON系統(tǒng)三代共存能力驗證和三代共存速率驗證，取得預期成效。但在共存方面仍有難關需業(yè)界攻克，如多代共存使用的高性能合分波器件、模塊選擇性較少等，供應鏈也有待完善；同時，支持三代共存的50G-PON光模塊需要內置“3發(fā)3收”六向合波的MPM器件，而多模光模塊如何實現小型化，以進一步提高系統(tǒng)密度并降低功耗也是一大難點。此外，目前用于驗證多模50G-PON系統(tǒng)的商用測試工具仍不完備，如商用支持多模50G-PON系統(tǒng)測試的光功率計仍然缺失，影響系統(tǒng)精度驗證，需加快研發(fā)進度。

多速率突發(fā)接收

ITU-T標準確定了三種50G-PON系統(tǒng)上行速率，分別是12.5Gbit/s、25Gbit/s和50Gbit/s。這意味著PON系統(tǒng)需要在不同的上行速率的ONU之間動態(tài)接收，滿足不同用戶或應用場景的需求。

50G-PON首次引入數字信號處理器（DSP）均衡技術，動態(tài)補償不同速率和位置的ONU在接入系統(tǒng)時所受到線路損傷的差異。此外，有研究表明，部署DSP能夠降低系統(tǒng)對光器件帶寬的要求，在ONU側部署使用25G光器件和DSP，能夠補償色散對下行鏈路的影響以實現系統(tǒng)的鏈路預算。

ITU也在制定50G-PON標準時提出評估發(fā)射機的新指標TDEC（發(fā)射機和色散眼圖閉合），用于關注背靠背及長距離傳輸后線路損傷導致的功率裕量損失，尤其關注采用均衡后的信號眼圖閉合現象。TDEC、ER與靈敏度指標綜合評估，能夠使制造商更加靈活地選擇系統(tǒng)配置。DSP的部署對實現50G-PON系統(tǒng)多速率突發(fā)接收起到關鍵作用。

參考國內50G-PON產業(yè)發(fā)展，50G-PON系統(tǒng)上行速率已收斂到25Gbit/s（非對稱）和50Gbit/s（對稱）雙速率。為了提升系統(tǒng)性能，在OLT側，通過引入DSP技術，實現了對多速率上行突發(fā)信號的動態(tài)均衡。在ONU側，通過引入輕量化的DSP，降低了器件帶寬的限制，并能夠有效地補償下行色散等因素對鏈路造成的影響，提高系統(tǒng)功率預算。

當前，50G-PON系統(tǒng)的DSP產業(yè)鏈借鑒了數通產業(yè)鏈的技術產品，但OLT側的DSP需要支持多模突發(fā)時鐘恢復和突發(fā)動態(tài)均衡等功能，目前高性能DSP產品的可獲得性仍然不足，這對設備廠家的自主研發(fā)能力提出了挑戰(zhàn)。此外，隨著DSP的加入，系統(tǒng)的成熟度以及可能帶來的成本、功耗影響也需要進一步評估。

02、主體標準制定工作基本完成，現網試點持續(xù)開展

主體標準制定工作基本完成，現網試點持續(xù)開展在國際上，ITU-T SG15的光纖接入網絡光系統(tǒng)研究組（Q2）早在2016年便啟動了后10G-PON項目研究，其研究項目ITU-T G.Sup64于2018年完成并發(fā)布，研究了后10G-PON的各種可行性路線及其關鍵技術。

2018年的ITU-T SG15會議經過多次討論，最終確定將50G-PON作為下一代PON系統(tǒng)代際技術，并建立新的G.HSP（G.Higher Speed PON）系列標準項目，體系內主要技術標準包括G.9804.1面向網絡基本需求、G.9804.2面向TC協(xié)議層、G.9804.3面向物理層。系列標準第一版（包括需求標準及修訂G.9804.1Amd1、通用協(xié)議層標準G.9804.2及物理層標準G.9804.3）于2019年4月在ITU-T SG15全會上正式通過，標志著50G-PON的基礎功能完成標準化。

此后，系列標準的完善工作持續(xù)開展，截至2024年4月，50G-PON系列已增補需求補充、物理層對稱指標、協(xié)議層以及共存等相關標準，并陸續(xù)完成發(fā)布。至此，50G-PON的國際標準研制主體工作已基本完成。在國內，中國通信標準化協(xié)會（CCSA）的TC6工作組也早在2017年便開展了下一代PON的技術研究工作，并于2020年開始50G-PON系列標準研制。

截至2024年4月，50G-PON系列行業(yè)標準（包括總體、物理層、TC層等）已在TC6WG2完成并發(fā)布。在模塊器件方面，50G單模、10G/50G雙模光模塊的行業(yè)標準已在TC6WG4完成報批，三模光模塊[G/XG(S)/50G]標準已立項，處于征求意見稿編制階段。此外，CCSA TC615WG全光垂直行業(yè)工作組也立項“50G-PON垂直行業(yè)應用技術研究”的課題，探索50G-PON可率先應用賦能的垂直行業(yè)領域。

國際和國內50G-PON主體標準的完成為產業(yè)鏈上下游全面推進50G-PON商用創(chuàng)造了條件。全球眾多運營商也積極開展50G-PON技術驗證，中國電信、中國移動、中國聯通、瑞士電信、法國電信等30多家運營商相繼開展50G-PON試點。在國內，三大運營商自2021年起便積極通過試點驗證50G-PON的各個發(fā)展階段，我國50G-PON現網試點情況如圖2所示。

03、需求驅動、政策推動，寬帶網絡向萬兆挺進

“十四五”規(guī)劃明確提出要推廣升級千兆光網。截至2023年底，我國千兆網絡加速普及，千兆及以上寬帶用戶達1.63億戶，占總用戶數的25.7%。在網絡建設方面，我國已建設具備千兆網絡服務能力的10G-PON端口數達到2302萬個，千兆光網具備覆蓋超過5億戶家庭的能力。千兆光網的快速發(fā)展帶動產業(yè)鏈持續(xù)繁榮，并進一步推動家庭及行業(yè)應用的創(chuàng)新發(fā)展，沉浸式家庭應用開始涌現，智慧城市和智慧園區(qū)加速創(chuàng)新，用戶體驗要求和對網絡的需求同步提升。以沉浸式“裸眼3D”為例，84視點的4K分辨率壓縮數據流需要2.7Gbit/s的吞吐量，如視點分辨率提升至8K，則網絡帶寬將大于10Gbit/s。

應用創(chuàng)新、更優(yōu)的用戶體驗需求推動寬帶網絡向萬兆光網邁進。50G-PON作為萬兆光網的關鍵驅動技術，可以為每個接入點提供超過10Gbit/s的超高帶寬、實現微秒級的系統(tǒng)傳輸時延和抖動、支持至少為1:64的物理最大分路比，并可以重用現有的ODN基礎設施，與現有PON網絡共存。50G-PON的新特性使它能夠用于承載FTTX各類場景服務，滿足創(chuàng)新應用（如虛擬現實、增強現實等沉浸式應用）的網絡需求和用戶體驗要求，還將為物聯網、大數據、云計算、AI等技術的發(fā)展提供堅實的網絡基礎，賦能行業(yè)應用創(chuàng)新，引領萬物的光纖互聯，因而具有廣闊的應用前景。

根據Omdia預測，新興應用不斷涌現將推動新一代PON網絡的需求不斷增長，促使50G-PON在2030年前保持高速發(fā)展，預計2024—2029年，亞洲地區(qū)50G-PON OLT端口出貨量年復合增長率將達到90%，50G-PON投資占比逐年增高。我國政府也高度重視萬兆光網的發(fā)展，多次提出加大以50G-PON為代表的萬兆光網研發(fā)力度。

目前，已有多地政府出臺具體措施助推萬兆光網發(fā)展。北京于2023年9月發(fā)布《“光網之都，萬兆之城”行動計劃（2023—2025年）》，計劃到2025年成為以萬兆光網為基礎的網絡能力領先、創(chuàng)新應用領先、前沿示范領先的“全光萬兆”樣板城市。上海市于2024年5月啟動“‘光耀申城’萬兆啟航行動計劃（2024—2025年）”，目標是到2025年建成萬兆光網基礎設施體系，同時明確了50G-PON端口發(fā)展規(guī)模，并計劃在新建住宅、商務樓宇以及產業(yè)園區(qū)全面部署50G-PON。50G-PON作為萬兆光網的關鍵驅動技術，能夠滿足不斷增長的網絡應用需求。未來其應用將不僅圍繞家庭超寬帶業(yè)務接入，還將圍繞垂直行業(yè)的不同領域賦能企業(yè)數字化轉型。

此外，50G-PON的部署還將帶動光通信產業(yè)模塊、器件、設備、管理方式的全面升級，促進整個光通信產業(yè)鏈的技術革新和發(fā)展，創(chuàng)造新的市場機遇。目前，50G-PON的功率預算、多代共存、多速率突發(fā)接收等幾項關鍵技術已取得顯著進展，產業(yè)界正在加速完善核心光電器件產業(yè)鏈，深入優(yōu)化系統(tǒng)性能，為后續(xù)的規(guī)模商用部署提供完備的技術支撐，預計50G-PON將在2025年前后迎來商用部署，光接入網將進入萬兆時代。

*本文刊載于《通信世界》總第947期 2024年7月10日 第13期?原文標題：50G-PON發(fā)展現狀和應用前景分析

作者：中國信息通信研究院 曹小波 劉謙責編/版式：蓋貝貝

審校：王 濤?梅雅鑫

監(jiān)制：劉啟誠